Các van được đánh giá bằng kích thước, khả năng chịu áp lực và mức độ giảm áp. Có rất nhiều kiểu thiết kế van thủy nhưng nhìn chung lại thì có một số van chính sau đây.
♦ Van tràn áp: loại này sử dụng trên một số nơi trong máy thủy lực, trên đường về
của mạch để duy trì áp suất trong thắng thủy lực, trên đường ống dẫn…. Trên cylinder thủy lực để khỏi quá tải, đường ống thủy lực không bị nứt vỡ…. Trong các thùng chứa để duy trì một áp suất ngăn không cho nước đọng lại và ô nhiễm.
♦ Van giảm áp: loại van này sử dụng để giới hạn áp suất không vượt quá mức yêu
cầu của mạch. Đây là loại van thường mở, áp suất vào sẽ cân bằng với lực lò xo, khi áp suất tăng lên thì thắng lực lò xò và dòng lưu chất sẽ chảy qua van về thùng chứa nên áp suất giảm.
♦ Van tuần tự: van này được sử dụng để truyền dòng thủy lực đến hệ thống thứ cấp,
chỉ sau khi có hoạt động xảy ra trong hệ thống sơ cấp. Đây là loại van thường đóng, và chỉ mở dòng thủy lực ra đến hệ thống thứ cấp, khi hệ thống sơ cấp đạt đến ngưỡng áp suất thiết đặt trước. Áp suất của hệ thống sơ cấp sẽ được duy trì lại sau khi van thực hiện hoạt động ‘’thứ tự’’.
♦ Van 1 chiều: loại van đơn giản nhất, đây là loại van hoạt động chỉ có 1 chiều đi
không có chiều ngược lại, nó cho phép tích trữ để nạp hoặc duy trì áp lực khi máy không hoạt động.
♦ Van 1 chiều có đường điều khiển: đây là van 1 chiều thường đóng nhưng có thể
điều khiển bằng tín hiệu từ bên ngoài. Ví dụ như tải trọng không thể giữ được bởi áp suất của van 1 chiều. Thông thường, áp suất bên ngoài vào đường ống khác được kết nối với mô tơ hay cylinder.
♦ Van treo tải: thực chất van treo tải là 1 dạng đặc biệt của van 1 chiều có đường
điều khiển. Nhưng ngược lại với van 1 chiều là có thể mở hoặc đóng, van treo tải chỉ 1 phần nhỏ của van điều khiển lưu lượng có đường điều khiển.
♦ Van ngắt: loại van này được thiết kế như một thiết bị từ động bịt kín các đường
dẫn thủy lực nếu như áp suất thủy lực quá cao hoặc quá thấp hơn áp suất đã định.
SVTH: Lê Thanh Tùng - 32 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
♦ Các loại van phụ trợ: các hệ thống thủy lực phức tạp thường hay sử dụng nhứng khối van phụ trợ để thực hiện nhứng chức năng phức tạp không thể thấy được như bộ tích trữ thủy lực, quạt làm mát. Các van này thường được thiết kế phù hợp cho những máy riêng biệt.
3.4.2.3 Chọn van thủy lực :
Theo sơ đồ mạch thủy lực ở phần trên, ta chọn 3 loại van: • Van tràn áp.
• Van 1 chiều. • Van Solenoid.
Sau đây là phần tính toán 3 loại van được nêu ở trên.
3.4.2.3.a. Van 1 chiều: (hình 3.10a)
Van 1 chiều bao gồm 1 thân van có cổng vào và cổng ra, 1 lò xo, và 1 viên bi.
Hình 3.10a – Sơ đồ kết cấu van một chiều. 3.4.3.2.b. Van tràn: (hình 3.10b)
Van tràn có 1 lò xo, 1 vít điều chỉnh, 2 cổng P và T. Cổng T là nơi chất lỏng sẽ về thùng dầu khi van mở. Đây là van thường đóng, van mở khi áp lực chất lỏng trên đường ống thắng được lực lò xo, đẩy thanh chặn qua trái làm chất lỏng sẽ thông với cổng T mà về thùng chứa, áp lực trong mạch sẽ giảm đén khi nào cân bằng với lực lò xo.
SVTH: Lê Thanh Tùng - 33 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
Hình 3.10b – Sơ đồ kết cấu van tràn.
3.4.2.3.c. Van solenoid: (hình 3.10c)
Van solenoid có 4 cổng. Cổng P nối với thùng chứa, cổng T để đưa chất lỏng về, cổng A và B là 2 cổng nới với đường ống chính.
Van solenoid hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng từ. Khi cuộn dây có điện sẽ biến lõi sắt thành nam châm và đồng thời hút ống cuộn về phía lõi sắt làm cho ống cuộn chuyển động. Quá trình này sẽ làm đóng mở các cổng van và van solenoid hoạt động. Khi mất điện thì dưới tác dụng của lực lò xo thì ống cuộn sẽ trở về vị trí cân bằng ban đầu.
Hình 3.10c – Sơ đồ kết cấu van Solenoid.
3.4.3 Bơm thủy lực:
3.4.3.1 Nhiệm vụ của bơm thủy lực:
Đẩy dầu thủy lực vào hệ thống và tạo nên dòng lưu động. Có thể nói bơm đã chuyển cơ năng thành năng lượng áp suất trong lưu chất, sau đó năng lượng áp suất lại chuyển thành cơ năng trên bộ phận tác động.
Các thành phần cơ bản của bơm thủy lực gồm: (hình 3.11)
SVTH: Lê Thanh Tùng - 34 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
Hình 3.11 – Các thành phần cơ bản của một máy bơm
♦ Một cửa nạp để đưa dầu từ bình chứa hoặc từ nguồn chứa vào bơm.
♦ Một cửa thoát dầu nối với đường ống áp lực.
♦ Buồng bơm để tải dầu từ cửa nạp đến của thoát.
♦ Các cơ cấu khác đảm bảo hoạt động của bơm.
Các dạng bơm thủy lực sử dụng phổ biến
+ Bơm bánh răng: đơn giản, rẻ tiền, bền, hiệu suất cao, thích hợp cho hệ thống có
áp suất dưới 300 bar (3x107N/mm2).
+ Bơm cánh quạt: đơn giản, rẻ tiền, độ tin cậy cao. Loại này dùng tốt với hệ thống có lưu lượng cao nhưng áp suất thấp tại đầu ra.
+ Bơm piston hướng trục: loại bơm này dùng thay đổi lưu lượng dòng ra để điều khiển áp suất trong lưu chất.
+ Bơm piston hướng kính: loại bơm này dùng với hệ thống đòi hỏi áp suất lưu chất cao nhưng lưu lượng nhỏ.
Bơm piston đắt hơn bơm cánh quạt và bơm bánh răng, nhưng tuổi thọ của bơm cao khi hoạt động ở áp suất lớn, sử dụng với nhiều loại chất lỏng khác nhau.
3.4.3.2 Sử dụng công suất của bơm và động cơ máy ép thủy lực
Công của máy ép thủy lực được xác định bởi thời gian tc thực hiện hành trình
công tác, khi sự biến dạng dẻo kim loại được tiến hành. Giả thiết rằng hệ thống dẫn động không có tổn hao năng lượng.
SVTH: Lê Thanh Tùng - 35 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
Ta đưa vào các ký hiệu sau đây:
P – lực của máy ép tại thời điểm cho trước của hành trình piston; p – áp suất chất lỏng trong cylinder máy ép;
S – hành trình của piston;
Pdn – lực ép danh nghĩa của máy ép; Sc – hành trình công tác.
Nếu như bỏ qua các tổn hao trong hệ thống thủy lực, thì đối với bộ dẫn động của bơm không có bình tích áp, không có bánh đà trên trục dẫn động bơm, ở thời điểm bất kỳ của hành trình công tác ta có đẳng thức:
Np = Nb = Nđc (3.4.1)
trong đó: Np – công suất của máy ép ở hành trình công tác;
Nb – công suất của bơm;
Nđc – công suất của động cơ điện.
Khi máy ép làm việc có những thời điểm mà Np đạt giá trị cực đại. Từ biểu thức
(3.4.1) suy ra là công suất của bơm cũng phải là cực đại. Nghĩa là bơm phải được tính theo công suất cực đại ở máy ép và được xác định bằng lực lớn nhất và tốc độ cho trước của chuyển động cặp bánh răng.
Bởi vì thời gian hành trình công tác trở nên nhỏ nhất khi sử dụng công suất toàn
bộ của bơm, vậy để nhận được tc nhỏ nhất thì bơm phải làm việc với công suất
định mức trong suốt toàn bộ hành trình công tác:
KpQ = Nb (3.4.2)
trong đó: K – hệ số phụ thuộc vào thứ nguyên của Q, p và N; p – áp suất của bơm;
Q – lưu lượng của bơm.
Người ta gọi bơm là bơm lý tưởng nếu như nó đảm bảo được điều kiện (3.4.2) trong suốt quá trình công tác và có hệ số có ích bằng 1.
SVTH: Lê Thanh Tùng - 36 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
Ở các điều kiện thực tế thì các bơm của máy éo thủy lực không làm việc với công suất không đổi, đặc biệt là ở lúc bắt đầu của hành trình công tác và đối với nhiều quá trình công nghệ không cần có áp suất cao mà chỉ cần có năng suất cao. Đồ thị lực ép đối với sơ đồ đơn giản nhất của máy ép một cylinder dẫn động
không có bình tích áp từ bơm có lưu lượng không đổi được trình bày trên hình 3.12a a) b) c)
Hình 3.12 – Các đồ thị lực ép ( phần được gạch là công suất bơm không sử dụng). a) Đồ thị lực ép của máy ép một cylinder không có bình tích áp.
b) Đồ thị lực ép để dẫn động từ bơm lý tưởng.
c) Đồ thị lực ép khi bơm kiểu piston có trục khuỷu làm việc với 3 mức áp suất và lưu lượng cấp cho máy ép một cylinder.
Phần diện tích được gạch 0ab tỉ lệ với công không được bơm sử dụng và đặc trưng cho việc sử dụng công suất của bơm.
Trị số của tung độ p’ đối với điểm a sẽ tương ứng với áp suất mà bơm không sử dụng ở thời điểm đó và tỉ lệ với phần công suất không sử dụng của bơm, bởi vì: N’ = p’Q; còn Q=const.
SVTH: Lê Thanh Tùng - 37 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
Ở kết cấu đơn giản nhất thì bộ dẫn động của bơm không có bình tích áp thường được sử dụng một phần nhỏ công suất định mức.
Đồ thị lực để dẫn động từ bơm lý tưởng được trình bày ở hình 3.12b. Ở đây công suất của bơm được sử dụng hết. Mức độ hoàn thiện của các dẫn động thực tế cần được đánh giá bằng cách so sánh với dẫn động từ bơm lý tưởng, làm việc với công suất không đổi.
Trên hình 3.12c trình bày đồ thị lực ép khi bơm kiểu piston có trục khuỷu làm việc với ba mức áp suất và lưu lượng cấp cho máy ép một cylinder:
paQa = pbQb = pcQc = NH
Các điểm a, b, c của đồ thị là các điểm công suất không đổi. pc > pb > pa; Qc < Qb < Qa
Phần công mà bơm không dùng được giảm đi. Thời gian hành trình công tác, công suất của bơm và động cơ có thể giảm so với các thông số này trong trường hợp dẫn động từ bơm lưu lượng không đổi.
Việc đưa sự làm việc của bộ dẫn động tới gần hơn với sự làm việc của bơm lý
tưởng trong thời gian tc thực tế bằng các phương pháp sau: Sử dụng các bơm có
điều chỉnh kiểu bậc thang lưu lượng theo áp suất; sử dụng các bơm có các đặc tính khác nhau; sử dụng một loạt các bơm giống nhau, sử dụng các bơm có thay đổi tự động công suất; sử dụng ở máy ép nhiều cylinder mà chúng làm việc với các áp suất khác nhau và cả bằng các phương pháp kể trên.
Khi không có bình tích áp thì việc đưa sự dẫn động tới gần với sự làm việc của động cơ lý tưởng có thể đạt được bằng các phương pháp kể trên để giảm công suất của bơm. Thường thì thời gian dành cho các công đoạn phụ lại nhiều hơn thời gian của hành trình công tác của máy ép. Bộ dẫn động sẽ bắt buộc phải làm việc không tải trong thời gian dài.
Công suất của động cơ điện khi bơm chạy không tải thường vào khoảng 10÷15% công suất cực đại. Vì vậy ở những chỗ mà các yếu tố công nghệ cho phép, thì hợp lý hơn cả là giảm một phần tốc độ của hành trình công tác. Trong trường hợp này, thời gian toàn bộ của chu trình có thể thay đổi không đáng kể do việc giảm thời gian cho hành trình tiếp cận, hành trình khứ hồi và chuyển chế độ.
SVTH: Lê Thanh Tùng - 38 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
Các quá trình công nghệ riêng thí dụ như đột sẽ yêu cầu lúc thì tốc độ cao, lúc thì tốc độ thấp của hành trình công tác. Điều này liên quan tới các tính chất công nghệ của vật liệu phôi. Trong trường hợp này có thể có được công suất của bơm và động cơ điện một cách tối ưu hơn bằng cách ngắt một số bơm cùng động cơ.
Khi chọn công suất của động cơ điện cho máy ép thủy lực, người ta thường phân biệt hai chế độ làm việc của nó: Chế độ làm việc lâu dài và chế độ làm việc ngắn – lặp lại.
Theo chế độ làm việc lâu dài người ta thường chọn động cơ điện cho dẫn động kiểu bơm có bình tích áp và người ta thường chọn động cơ điện theo chế độ làm việc ngắn – lặp lại cho dẫn động kiểu bơm không có bình tích áp. Thường thì có thể chọn công suất định mức của động cơ điện bằng một nửa công suất của bơm. Việc giảm tiếp theo công suất của động cơ điện ở dẫn động không có bình tích
áp có thể đảm bảo bằng cách đặt một bánh đà trên trục nối bơm và động cơ điện. Ở dẫn động có bánh đà, việc thay đổi số vòng quay của bánh đà và sự nhả năng
lượng của nó phụ thuộc vào đặc tính cơ học của động cơ điện. Trong trường hợp này biểu thức (3.4.1) sẽ có dạng:
Np = Nb ≥ Nđc
Yếu tố giới hạn ở đây là công suất của bơm – công suất động cơ có thể giảm 2- 3 lần và hơn nữa phụ thuộc vào đặc tính tải P = f(S).
Trong một số trường hợp, việc sử dụng triệt để hơn công suất của động cơ điện và bơm có thể đạt được bằng cách liên kết nhiều máy ép có cùng lực ép vào một máy ép lớn.
3.4.3.3 Tính chọn bơm thủy lực:
Xuất phát từ các thông số như: +Áp suất hoạt động lớn nhất. +Dạng điều khiển.
+Tốc độ hoạt động của bơm. +Dạng chất lỏng sử dụng.
SVTH: Lê Thanh Tùng - 39 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
+Giá thành. +Bảo dưỡng.
Ở đây ta chọn loại bơm bánh răng vì kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và áp suất cung cấp lại lớn nhưng lưu lượng nhỏ. Bảo dưỡng lại dễ dàng và điều khiển đơn giản….
Từ bảng 2.2 (trang 31, tài liệu1), ta chọn áp suất bơm p=250 (bar)
Gọi F là tải trọng làm việc: F= 70(tấn) = 70x103
x9.81= 686700(N).
Dc là đường kính của piston(mm).
Từ công thức F = p x A (A là diện tích đáy piston[m2])
0.0274( ) 10 250 686700 2 5 m p F A = × = = ⇒ 0.186( ) 14 . 3 0274 . 0 4 4 m A Dc= = × = ⇒ π Tra bảng 4.1(trg 140-TL 1), ta chọn Dc=200(mm).
Gọi Q là lưu lượng do bơm cung cấp,(lít/s). V là vận tốc dòng chảy,(m/s).
Vì bơm hoạt động với áp suất lớn nên lấy v=0.02 (m/s).
⇒ Q = v x A = 0.000628 4 2 . 0 14 . 3 02 . 0 2 = × × (m3/s) = 0.628(l/s) = 37.68(l/ph)
So sánh với bảng 5.11(trg 216-TL1), ta thấy thỏa mãn về cách chọn.
Như vậy công suất của bơm P(kW), nếu như ta lấy hiệu suất bơm η=0.85
18.47 1000 60 85 . 0 10 250 10 68 . 37 60 5 3 = × × × × × = × × = − η p Q P (kW)
Ta sẽ chọn động cơ điện có công suất 20(kW).
3.4.4 Hệ thống đường ống:
Ống dẫn được dùng trong hệ thủy lực phải được chế tạo chính xác, liền nhau không được hàn nối. Ống có kích cỡ theo tiêu chuẩn phù hợp với một giới hạn áp suất chịu đựng khác nhau và đường kính tiêu chuẩn của ống có thể lên đến
SVTH: Lê Thanh Tùng - 40 - GVHD: Th.S Nguyễn Hữu Thật
100mm. Nhiệm vụ chính của đường ống là nối giữa các bộ phận để dẫn lưu chất trong hệ thống. Các đường ống thường được phân theo chức năng của chúng gồm:
+ Đường ống làm việc: đường ống nạp, đường ống áp lực, hồi tiếp.
+ Đường ống không làm việc: đường ống xả, đường ống tín hiệu.
Hiện nay có 3 loại ống dùng trong thủy lực: ống tube, ống pipe và ống mềm.
♦Ống tube: ống tube được sử dụng trong hệ thống thủy lực yêu cầu các đường
ống dẫn có đường kính không lớn hơn 1 inch(25.4mm) và áp suất không vượt